[C#.NET 拾遺補(bǔ)漏]15：異步編程基礎(chǔ)

現(xiàn)代應(yīng)用程序廣泛使用文件和網(wǎng)絡(luò) I/O。I/O 相關(guān) API 傳統(tǒng)上默認(rèn)是阻塞的，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)和硬件利用率不佳，此類問(wèn)題的學(xué)習(xí)和編碼的難度也較大。而今基于 Task 的異步 API 和語(yǔ)言級(jí)異步編程模式顛覆了傳統(tǒng)模式，使得異步編程非常簡(jiǎn)單，幾乎沒(méi)有新的概念需要學(xué)習(xí)。

異步代碼有如下特點(diǎn)：

• 在等待 I/O 請(qǐng)求返回的過(guò)程中，通過(guò)讓出線程來(lái)處理更多的服務(wù)器請(qǐng)求。

• 通過(guò)在等待 I/O 請(qǐng)求時(shí)讓出線程進(jìn)行 UI 交互，并將長(zhǎng)期運(yùn)行的工作過(guò)渡到其他 CPU，使用戶界面的響應(yīng)性更強(qiáng)。

• 許多較新的 .NET API 都是異步的。

• 在 .NET 中編寫異步代碼很容易。

使用 .NET 基于 Task 的異步模型可以直接編寫 I/O 和 CPU 受限的異步代碼。該模型圍繞著Task和Task<T>類型以及 C# 的async和await關(guān)鍵字展開。本文將講解如何使用 .NET 異步編程及一些相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。

Task 和 Task<T>

Task 是 Promise 模型的實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單說(shuō)，它給出“承諾”：會(huì)在稍后完成工作。而 .NET 的 Task 是為了簡(jiǎn)化使用“承諾”而設(shè)計(jì)的 API。

Task 表示不返回值的操作， Task<T> 表示返回T類型的值的操作。

重要的是要把 Task 理解為發(fā)起異步工作的抽象，而不是對(duì)線程的抽象。默認(rèn)情況下，Task 在當(dāng)前線程上執(zhí)行，并酌情將工作委托給操作系統(tǒng)。可以選擇通過(guò)Task.RunAPI 明確要求任務(wù)在單獨(dú)的線程上運(yùn)行。

Task 提供了一個(gè) API 協(xié)議，用于監(jiān)視、等待和訪問(wèn)任務(wù)的結(jié)果值。比如，通過(guò)await關(guān)鍵字等待任務(wù)執(zhí)行完成，為使用 Task 提供了更高層次的抽象。

使用 await 允許你在任務(wù)運(yùn)行期間執(zhí)行其它有用的工作，將控制權(quán)交給其調(diào)用者，直到任務(wù)完成。你不再需要依賴回調(diào)或事件來(lái)在任務(wù)完成后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)工作。

I/O 受限異步操作

下面示例代碼演示了一個(gè)典型的異步 I/O 調(diào)用操作：

public Task<string> GetHtmlAsync()
{
    // 此處是同步執(zhí)行
    var client = new HttpClient();
    return client.GetStringAsync("https://www.dotnetfoundation.org");
}

這個(gè)例子調(diào)用了一個(gè)異步方法，并返回了一個(gè)活動(dòng)的 Task，它很可能還沒(méi)有完成。

下面第二個(gè)代碼示例增加了async和await關(guān)鍵字對(duì)任務(wù)進(jìn)行操作：

public async Task<string> GetFirstCharactersCountAsync(string url, int count)
{
    // 此處是同步執(zhí)行
    var client = new HttpClient();

    // 此處 await 掛起代碼的執(zhí)行，把控制權(quán)交出去（線程可以去做別的事情）
    var page = await client.GetStringAsync("https://www.dotnetfoundation.org");

    // 任務(wù)完成后恢復(fù)了控制權(quán)，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼
    // 此處回到了同步執(zhí)行

    if (count > page.Length)
    {
        return page;
    }
    else
    {
        return page.Substring(0, count);
    }
}

使用 await 關(guān)鍵字告訴當(dāng)前上下文趕緊生成快照并交出控制權(quán)，異步任務(wù)執(zhí)行完成后會(huì)帶著返回值去線程池排隊(duì)等待可用線程，等到可用線程后，恢復(fù)上下文，線程繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼。

GetStringAsync() 方法的內(nèi)部通過(guò)底層 .NET 庫(kù)調(diào)用資源(也許會(huì)調(diào)用其他異步方法)，一直到 P/Invoke 互操作調(diào)用本地(Native)網(wǎng)絡(luò)庫(kù)。本地庫(kù)隨后可能會(huì)調(diào)用到一個(gè)系統(tǒng) API(如 Linux 上 Socket 的write()API)。Task 對(duì)象將通過(guò)層層傳遞，最終返回給初始調(diào)用者。

在整個(gè)過(guò)程中，關(guān)鍵的一點(diǎn)是，沒(méi)有一個(gè)線程是專門用來(lái)處理任務(wù)的。雖然工作是在某種上下文中執(zhí)行的（操作系統(tǒng)確實(shí)要把數(shù)據(jù)傳遞給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并中斷響應(yīng)），但沒(méi)有線程專門用來(lái)等待請(qǐng)求的數(shù)據(jù)回返回。這使得系統(tǒng)可以處理更大的工作量，而不是干等著某個(gè) I/O 調(diào)用完成。

雖然上面的工作看似很多，但與實(shí)際 I/O 工作所需的時(shí)間相比，簡(jiǎn)直微不足道。用一條不太精確的時(shí)間線來(lái)表示，大概是這樣的：

0-1--------------------2-3

從0到1所花費(fèi)的時(shí)間是await交出控制權(quán)之前所花的時(shí)間。從1到2花費(fèi)的時(shí)間是GetStringAsync方法花費(fèi)在 I/O 上的時(shí)間，沒(méi)有 CPU 成本。最后，從2到3花費(fèi)的時(shí)間是上下文重新獲取控制權(quán)后繼續(xù)執(zhí)行的時(shí)間。

CPU 受限異步操作

CPU 受限的異步代碼與 I/O 受限的異步代碼有些不同。因?yàn)楣ぷ魇窃?CPU 上完成的，所以沒(méi)有辦法繞開專門的線程來(lái)進(jìn)行計(jì)算。使用 async 和 await 只是為你提供了一種干凈的方式來(lái)與后臺(tái)線程進(jìn)行交互。請(qǐng)注意，這并不能為共享數(shù)據(jù)提供加鎖保護(hù)，如果你正在使用共享數(shù)據(jù)，仍然需要使用適當(dāng)?shù)耐讲呗浴?/p>

下面是一個(gè) CPU 受限的異步調(diào)用：

public async Task<int> CalculateResult(InputData data)
{
    // 在線程池排隊(duì)獲取線程來(lái)處理任務(wù)
    var expensiveResultTask = Task.Run(() => DoExpensiveCalculation(data));

    // 此時(shí)此處，你可以并行地處理其它工作

    var result = await expensiveResultTask;

    return result;
}

CalculateResult方法在它被調(diào)用的線程（一般可以定義為主線程）上執(zhí)行。當(dāng)它調(diào)用Task.Run時(shí)，會(huì)在線程池上排隊(duì)執(zhí)行 CPU 受限操作 DoExpensiveCalculation，并接收一個(gè)Task<int>句柄。DoExpensiveCalculation會(huì)在下一個(gè)可用的線程上并行運(yùn)行，很可能是在另一個(gè) CPU 核上。和 I/O 受限異步調(diào)用一樣，一旦遇到await，CalculateResult的控制權(quán)就會(huì)被交給它的調(diào)用者，這樣在DoExpensiveCalculation返回結(jié)果的時(shí)候，結(jié)果就會(huì)被安排在主線程上排隊(duì)運(yùn)行。

對(duì)于開發(fā)者，CUP 受限和 I/O 受限的在調(diào)用方式上沒(méi)什么區(qū)別。區(qū)別在于所調(diào)用資源性質(zhì)的不同，不必關(guān)心底層對(duì)不同資源的調(diào)用的具體邏輯。編寫代碼需要考慮的是，對(duì)于 CUP 受限的異步任務(wù)，根據(jù)實(shí)際情況考慮是否需要使其和其它任務(wù)并行執(zhí)行，以加快程序的整體運(yùn)行時(shí)間。

異步編程模式

最后簡(jiǎn)單回顧一下 .NET 歷史上提供的三種執(zhí)行異步操作的模式。

• 基于任務(wù)的異步模式（Task-based Asynchronous Pattern，TAP），它使用單一的方法來(lái)表示異步操作的啟動(dòng)和完成。TAP 是在 .NET Framework 4 中引入的。它是 .NET 中異步編程的推薦方法。C# 中的 async 和 await 關(guān)鍵字為 TAP 添加了語(yǔ)言支持。

• 基于事件的異步模式（Event-based Asynchronous Pattern，EAP），這是基于事件的傳統(tǒng)模式，用于提供異步行為。它需要一個(gè)具有 Async 后綴的方法和一個(gè)或多個(gè)事件。EAP 是在 .NET Framework 2.0 中引入的。它不再被推薦用于新的開發(fā)。

• 異步編程模式（Asynchronous Programming Model，APM）模式，也稱為 IAsyncResult 模式，這是使用 IAsyncResult 接口提供異步行為的傳統(tǒng)模式。在這種模式中，需要Begin和End方法同步操作（例如，BeginWrite和EndWrite來(lái)實(shí)現(xiàn)異步寫操作）。這種模式也不再推薦用于新的開發(fā)。

下面簡(jiǎn)單舉例對(duì)三種模式進(jìn)行比較。

假設(shè)有一個(gè) Read 方法，該方法從指定的偏移量開始將指定數(shù)量的數(shù)據(jù)讀入提供的緩沖區(qū)：

public class MyClass
{
    public int Read(byte [] buffer, int offset, int count);
}

若用 TAP 異步模式來(lái)改寫，該方法將是簡(jiǎn)單的一個(gè) ReadAsync 方法：

public class MyClass
{
    public Task<int> ReadAsync(byte [] buffer, int offset, int count);
}

若使用 EAP 異步模式，需要額外多定義一些類型和成員：

public class MyClass
{
    public void ReadAsync(byte [] buffer, int offset, int count);
    public event ReadCompletedEventHandler ReadCompleted;
}

public delegate void ReadCompletedEventHandler(
    object sender, ReadCompletedEventArgs e);

public class ReadCompletedEventArgs : AsyncCompletedEventArgs
{
    public MyReturnType Result { get; }
}

若使用 AMP 異步模式，則需要定義兩個(gè)方法，一個(gè)用于開始執(zhí)行異步操作，一個(gè)用于接收異步操作結(jié)果：

public class MyClass
{
    public IAsyncResult BeginRead(
        byte [] buffer, int offset, int count,
        AsyncCallback callback, object state);
    public int EndRead(IAsyncResult asyncResult);
}

后兩種異步模式已經(jīng)過(guò)時(shí)不推薦使用了，這里也不再繼續(xù)探討。歲數(shù)大點(diǎn)的 .NET 程序員可能比較熟悉后兩種異步模式，畢竟那時(shí)候沒(méi)有 async/await，應(yīng)該沒(méi)少折騰。